淺談無人機(jī)技術(shù)及其與高中信息素質(zhì)教育的銜接

朱悉樂

摘 要：無人機(jī)技術(shù)是全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的熱點(diǎn)，將無人機(jī)技術(shù)引入高中信息素質(zhì)教育，有利于激發(fā)學(xué)生對于前沿科技的學(xué)習(xí)動力，提升學(xué)生投身無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的熱情，進(jìn)而促進(jìn)無人機(jī)這一國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文介紹了無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，探討了無人機(jī)對高中信息素質(zhì)教育的意義、面臨的挑戰(zhàn)和解決方案。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；信息技術(shù)；素質(zhì)教育

相比于有人機(jī)，無人機(jī)具有成本較低、無人員傷亡風(fēng)險、機(jī)動性能好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)是全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的熱點(diǎn)，在警用安防、農(nóng)林植保、遙感測繪和消費(fèi)娛樂、防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急救援等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，[1]是關(guān)系國防事業(yè)和人民生活的新興產(chǎn)業(yè)，同樣未來通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向也由無人機(jī)指引。

《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》報告中指出，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)已成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。近年來，民用無人機(jī)發(fā)展迅猛，消費(fèi)級和工業(yè)級A無人機(jī)系統(tǒng)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展態(tài)勢，傳統(tǒng)行業(yè)與無人機(jī)系統(tǒng)的逐步深度結(jié)合，各種新的產(chǎn)業(yè)隨之產(chǎn)生和發(fā)展，這種深度結(jié)合的方式在增強(qiáng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)內(nèi)涵價值和助力國民經(jīng)濟(jì)方面有著很積極地催化作用。我國民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。根據(jù)預(yù)測，2020年左右無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的年均增速40%以上，產(chǎn)值將達(dá)到600億元，。國內(nèi)航拍無人機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)預(yù)計可達(dá)173億元，農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將達(dá)500億元，電力巡檢無人機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將達(dá)到48億元，安防無人機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將達(dá)到25億元。[2]

隨著無人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，各種問題也層出不窮，目前常見的問題有：行業(yè)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系的不完善、檢測認(rèn)證的體系不健全、安全監(jiān)管的手段滯后、行業(yè)應(yīng)用類無人機(jī)的部分核心技術(shù)發(fā)展不足，這些問題形成了制約無人機(jī)行業(yè)發(fā)展的諸多因素，解決這些問題最為根本的途徑是大批專業(yè)人才的培養(yǎng)。而專業(yè)人才的培養(yǎng)關(guān)鍵是興趣，興趣形成的關(guān)鍵點(diǎn)是落在高中信息素質(zhì)教育。

將無人機(jī)技術(shù)引入高中信息素質(zhì)教育，有利于激發(fā)學(xué)生對于前沿科技熱點(diǎn)的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生從知識性學(xué)習(xí)向探索性、創(chuàng)新性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，提升學(xué)生投身無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的熱情，進(jìn)而促進(jìn)無人機(jī)這一國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本文將在無人機(jī)技術(shù)研究概況的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討與高中素質(zhì)教育的銜接。

1 無人機(jī)技術(shù)研究概況

1.1 無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)傳統(tǒng)的定義，由控制站管理（包括遠(yuǎn)程操縱或自主飛行）的航空器叫做無人機(jī)，也可以稱為遠(yuǎn)程駕駛航空器。它攜帶有各類有效載荷而不搭載操作人員、利用無線電或機(jī)載計算機(jī)與導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行飛行控制、可一次性或多次重復(fù)使用。

在很多領(lǐng)域，無人機(jī)發(fā)揮著不可替代的作用，例如[3][4]：

（1）服務(wù)民生。農(nóng)林業(yè)：農(nóng)作物病蟲害可以用無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)報、也可以用無人機(jī)廣闊的飛行覆蓋面進(jìn)行農(nóng)藥噴灑等。漁業(yè)：可用于魚群檢測、魚食大面積播撒等。通信：可用于通訊中繼、無線電監(jiān)測等。交通：可用于交通狀態(tài)監(jiān)視等。運(yùn)輸：可用于物資運(yùn)輸、急件傳遞等。

（2）資源監(jiān)測和保護(hù)。環(huán)境監(jiān)測：可用于環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測。海洋監(jiān)測：可用于監(jiān)測海岸線變化、海冰形成與消融等。地理地質(zhì)：可用于地形地貌監(jiān)測與繪制、地理信息采集等。遙感監(jiān)測：可用于地遙感測量與數(shù)據(jù)采集、目標(biāo)定位等。水利：可應(yīng)用于水源監(jiān)測、灌溉監(jiān)測等。電力：可用于線路巡視、電站與變電所監(jiān)視等。

（3）氣象探測。大氣數(shù)據(jù)的采集可以采用無人機(jī)、可以通過無人機(jī)攜帶催雨彈人工影響天氣、利用無人機(jī)進(jìn)行環(huán)境氣象監(jiān)測等。

（4）自然災(zāi)害應(yīng)對。可用于執(zhí)行災(zāi)后監(jiān)測、搜救、通信、投放物資等任務(wù)。

（5）公共安全。利用無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大范圍、高層次的邊境巡視和防恐反恐，同樣在緝毒、反走私、國家海洋維權(quán)等方面發(fā)揮作用。

（6）科考研究。可用于極地科考、氣象研究、地球海洋物理研究等。

1.2 無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)包括[4][5]：

（1）動力技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在一定的高度攜帶大量載荷進(jìn)行長時間巡航高效功能，動力系統(tǒng)的設(shè)計是非常關(guān)鍵的。油動和電動兩種動力配置裝置是無人機(jī)使用的常見動力其中，發(fā)動機(jī)、燃料以及螺旋槳等部件組成了油動系統(tǒng)，電動機(jī)、電調(diào)、螺旋槳等部件組成了無人機(jī)的電動系統(tǒng)。

（2）材料技術(shù)。復(fù)合材料是現(xiàn)在比較常見的無人機(jī)材料，除此之外還有金屬材料、塑料、智能材料等。由于復(fù)合材料具有比剛度高、抗振能力強(qiáng)和熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，所以在變體飛行器、智能直升機(jī)旋翼、仿生撲翼微型飛行器和發(fā)動機(jī)等方面有著廣泛的應(yīng)用。

（3）機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的連續(xù)性，無人機(jī)機(jī)體廣泛采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)可以更精確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而可以簡化飛機(jī)的傳力關(guān)系。

（4）導(dǎo)航技術(shù)。組合導(dǎo)航技術(shù)是應(yīng)用在無人機(jī)上的一種導(dǎo)航技術(shù)，除此之外還有包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等不同的導(dǎo)航方式。其中能夠?qū)崿F(xiàn)推算位置進(jìn)行導(dǎo)航的導(dǎo)航技術(shù)叫慣性導(dǎo)航。通常為了無人機(jī)能夠在導(dǎo)航中實(shí)現(xiàn)全天時的位置、速度和時間信息定位，一般采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

（5）通信技術(shù)。機(jī)載部分和地面部分組成了無人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備。機(jī)載數(shù)據(jù)終端和天線被稱作機(jī)載部分。地面數(shù)據(jù)終端和天線被稱為地面部分。

（6）飛控系統(tǒng)。作為無人機(jī)系統(tǒng)中最核心的部分，飛行性能和飛行品質(zhì)也由飛控系統(tǒng)的性能進(jìn)行影響。飛控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒕_度及實(shí)時性等方面對無人機(jī)產(chǎn)生很重要的影響。一般來說，飛控板、傳感器、舵機(jī)、數(shù)傳電臺、遙控器和地面站組成了無人機(jī)的飛控系統(tǒng)。

（7）空管技術(shù)。空管技術(shù)是集成衛(wèi)星和GPS技術(shù)開發(fā)的綜合管理平臺，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的空中資源分配、任務(wù)劃分、數(shù)據(jù)注冊、飛行監(jiān)管等任務(wù)。

1.3 無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

（1）市場專業(yè)化。在很多行業(yè)中，由于民用無人機(jī)技術(shù)的一步步成熟，可以產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前民用無人機(jī)相關(guān)技術(shù)超過一半涉及航拍攝影，其次是采用無人機(jī)進(jìn)行快遞投遞等貨物運(yùn)輸服務(wù)。未來民用無人機(jī)市場中，航拍無人機(jī)和貨運(yùn)無人機(jī)會在規(guī)模上將呈現(xiàn)出更良性的發(fā)展趨勢。

（2）技術(shù)創(chuàng)新化。導(dǎo)航技術(shù)作為飛行控制技術(shù)中的核心，在無人機(jī)的飛行過程中有著重要的影響。由于無人機(jī)發(fā)展的需求性，全球定位系統(tǒng)（如GPS、格洛納斯導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)）使用很少，大部分仍然采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。但采用全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)也偶有出現(xiàn)，也越來越受到重視，有可能成為未來發(fā)展的大方向。

（3）應(yīng)用人性化。隨著民用無人機(jī)應(yīng)用場景的擴(kuò)展，對人的生命、財產(chǎn)以及隱私造成的危害也隨之而來。相應(yīng)地，如何運(yùn)用法律杠桿，在協(xié)調(diào)好無人機(jī)市場秩序的同時兼顧其在天空中的飛行秩序，是政府未來法律制定的重點(diǎn)。

2 無人機(jī)技術(shù)與高中信息素質(zhì)教育的銜接

2.1 高中信息素質(zhì)教育中無人機(jī)技術(shù)產(chǎn)生的作用

我國《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010.2010年）》提出了“全面提高普通高中學(xué)生綜合素質(zhì)，推動普通高中多樣化發(fā)展”的任務(wù)。[6]無人機(jī)作為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的熱點(diǎn)，是關(guān)系國計民生的新興產(chǎn)業(yè)，代表著未來通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。無人機(jī)技術(shù)覆蓋知識面廣、對知識綜合運(yùn)用要求高，將無人機(jī)技術(shù)納入到高中信息素質(zhì)教育，有助于使中學(xué)生的學(xué)習(xí)從知識性學(xué)習(xí)向探索性和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)發(fā)展，進(jìn)一步提高高中生的自主學(xué)習(xí)能力；有助于使中學(xué)生的思維從定向思維向發(fā)散性思維，拓展學(xué)生的視野；有利于激發(fā)學(xué)生對于前沿科技的學(xué)習(xí)動力，提升學(xué)生投身無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的熱情，進(jìn)而促進(jìn)無人機(jī)這一國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2.2 無人機(jī)信息技術(shù)素質(zhì)教育在高中教學(xué)實(shí)踐中面臨的挑戰(zhàn)

在高中信息素質(zhì)教育中開展無人機(jī)技術(shù)教育面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在：

（1）涉及知識面廣，創(chuàng)新和實(shí)踐能力要求高，學(xué)生短期內(nèi)難以掌握。無人機(jī)技術(shù)涉及動力、材料、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航、通信、飛控、空管等諸多知識。無人機(jī)技術(shù)知識量太大，短期內(nèi)學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，但有利于加深學(xué)生對數(shù)學(xué)、物理、工程、信息等基礎(chǔ)知識的理解。無人機(jī)自主飛行的編程開發(fā)需要學(xué)生具有一定的編程能力和動手能力，雖然有利于提升學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，但是對于能力積累和成長的要求高，同樣存在短期內(nèi)難以學(xué)習(xí)和掌握的困難。

（2）師資要求高，教師短期內(nèi)難以駕馭該課程。高中教師的強(qiáng)項在于基礎(chǔ)知識教學(xué)，對于前沿科技的把握相對薄弱，同時還要掌握大量無人機(jī)相關(guān)知識和技能，以便對學(xué)生進(jìn)行針對性指導(dǎo)，使得一般高中教師難以在短期內(nèi)駕馭該課程。

（3）實(shí)踐環(huán)境要求高，一般高中難以具備。無人機(jī)實(shí)踐活動受到低空飛行管制，而且操作不當(dāng)會出現(xiàn)墜機(jī)事故，存在一定安全隱患。高中校園一般不具備相應(yīng)的無人機(jī)飛行實(shí)踐環(huán)境，在安全方面是一個大的問題

2.3 高中無人機(jī)信息技術(shù)素質(zhì)教育的解決方案

針對上述挑戰(zhàn)，筆者認(rèn)為在高中信息素質(zhì)教育中開展無人機(jī)技術(shù)教育的解決方案如下：

（1）將無人機(jī)教育貫穿于高中高年級學(xué)習(xí)和實(shí)踐活動。將無人機(jī)教育作為一門延續(xù)性、社團(tuán)性課程，貫穿在高中高年級信息素質(zhì)課題教學(xué)和相關(guān)社會實(shí)踐中。通過開展相應(yīng)的課程，可以讓學(xué)生逐步掌握相關(guān)知識和技術(shù)。在課外能力素質(zhì)培養(yǎng)方面可以形成學(xué)習(xí)社團(tuán)、培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)氛圍。在無人機(jī)培訓(xùn)和交流之中可以使學(xué)生相互學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)、共同成長。

（2）讓高校教師與高中教師結(jié)對工作。通過高校教師進(jìn)高中講學(xué)、培訓(xùn)、交流等方式，使高校教師與高中教師協(xié)同工作，有利于高中教師迅速掌握無人機(jī)相關(guān)知識和技術(shù)體系，以便更好地引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生。

（3）建立規(guī)范、共享的實(shí)踐環(huán)境。集中資源建立可多校共享的、規(guī)范安全的無人機(jī)實(shí)踐環(huán)境，以校間競賽形成推進(jìn)無人機(jī)信息素質(zhì)教育。也可讓高中與大學(xué)的主動對接，通過舉辦無人機(jī)方面的賽事或夏令營形式的走入高校學(xué)習(xí)交流，協(xié)助相關(guān)實(shí)驗室進(jìn)行測試等方式來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與高中信息素質(zhì)教育的對接。

3 結(jié)論

將無人機(jī)技術(shù)納入到高中信息素質(zhì)教育，對于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、擴(kuò)展視野，激發(fā)學(xué)生投身無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的熱情、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，具有深遠(yuǎn)意義。可以通過長期性教學(xué)、與高校對接、建立規(guī)范共享實(shí)踐環(huán)境等方式，解決高中無人機(jī)信息素質(zhì)教學(xué)面臨的學(xué)生學(xué)習(xí)難題、師資困境、實(shí)踐環(huán)境匱乏問題。

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